全双工无线系统如何做到使带宽翻倍

出了另一种方法：频域均衡法。这种方法的工作原理和立体声系统中的均衡器有些相似，在特别的频段上调整音频信号的强度。为了把信号分为可以单独操纵的多个频段，我们使用多个滤波器，每个滤波器都有非常灵敏的频率响应能力（或高频率因子）；这些滤波器接收传入的信号，但只有范围非常有限的频率才能通过。我们在整个信号频谱中放置了很多不同频率的滤波器。

以前，在芯片上做出灵敏的无线电频率滤波器是不可能的。而我们利用一个电路设计技巧在纳米级CMOS芯片上做出了这种滤波器，称为N-path滤波器。传统的滤波器使用电感器和电容器，电感器很难放在芯片上。而N-path滤波器使用的是开关，也就是集成电路技术最基本的东西——晶体管。

其他团队也把N-path滤波器放置在了芯片上，但我们是第一个将N-path滤波器用于频域均衡的团队。结果显示，在全双工无线电系统中，在很宽的频带上完成了回波消除。

在我们的系统中，众多N-path滤波器分接一小部分发射器信号。接下来，将无线电频率（RF）信号分成两个频段（两个以上也可以）。然后，调整每个频段中的信号，模仿抵达接收器的自干扰。

该多频段方法将带宽分成小段，这种各个击破的战略使我们更容易调节每一段带宽，即进行功率和相位调整。电路系统根据为频段指配的权重进行调节。还是用音频来做比喻，这就像是调高低音、调低高音，还有其他调节，使输出信号与出入信号匹配。

下一步是让权重处理自动化，以便输出信号随着环境变化而变化。当然，环境变化是动态的，每秒都有波动，所以处理不得不自动化。我们已经做了一些颇有前景的初步自动化演示，但是这方面还有更多工作要做。

我们设计了一个接收兼消除干扰的原型，然后用65纳米CMOS技术制将其做了出来。我们的全双工接收器可以在0.8到1.4吉赫中的任一频率上工作，RF自干扰消除器负责抑制发射器干扰，适用于各种天线，带宽大约是现有传统干扰消除技术的10倍。我们只用了两个N-path滤波器就实现了10倍的性能优势。这已经足以兼容许多先进的无线标准，包括LTE和Wi-Fi。如果增加滤波器的数量，干扰消除带宽会更大。

这种基于频率的消除方法的另一个优势是，能与现有多频段的频分双工无线系统兼容。如前所述，FDD是一种半双工技术，其中发射器和接收器可同时在不同频率上工作。它要求双工滤波器在共用天线中将发射器和接收器分开。由于这些芯片外的双工滤波器无法调谐，所以，现今的智能手机要用一个单独的双工滤波器来支持每一个FDD频段——4G LTE支持25个频段，因此需要25个双工滤波器！

若想降低手机无线电元件的体积和成本，只需用几个可调谐双工器件替代那些滤波器即可，但是这种可调谐的双工器件在分离发射器和接收器方面通常不如固定频率的双工器有效，因此，接收器特别容易受到发射器自干扰的影响。这就需要消除自干扰。

自干扰的切入点在于天线，所以在干扰信号漏入接收器之前，就在天线处将其抑制是再好不过的了。主要挑战在于如何让天线紧凑小巧（比如用于手机），并保证自干扰不会随着电磁环境的每一次变化而一再出现。换言之，我们需要智能天线。

这种智能天线不仅要能够操控无线电波的明显电子特性（幅度、相位和频率），还要能处理一个额外的维度，即电波极化。一个无线电波实际上是两个场的结合，一个是电场，另一个是磁场——因此构成了"电磁"一词。每个场都在给定的频率上震荡，电场的震荡诱发磁场，反之亦然。这两个场是垂直的，它们在空间的指向方式叫做极化。极化方向不同的电磁波可以互相通过而不会产生干扰。

在一对小巧的天线（4.6吉赫）中利用极化来实现双工，这一对天线一个用做发射器，另一个用做接收器。我们可以把它们挨着放在一起，因为进出这两条天线的无线电波彼此正交极化，能够有效地实现分隔。但是，这种隔离虽然最大程度地减少了自干扰，但并未使其完全消除。因此，我们还在接收天线中安装了一个使发射天线去极化的端口。该端口提取一小部分发射信号作为样本，通过滤波器对信号进行调整，然后将其传递给接收器端口。结果显示，干扰消除结果近乎完美。由于可对该滤波器进行现场编程，因此它可以对回波消除进行重新配置，以满足不断变化的电磁环境的需求。

我们的原型机能够在300兆赫带宽上实现50分贝的分隔，这意味5个数量级或者10万倍的隔离效果。这一隔离效果是非极化消除隔离效果的1000倍。即便我们在天线旁边放置一个强反射的金属板来增强自干扰，也仍然能够通过重新配置系统，